渐变出口旋流器内部流场的数值模拟

2021-01-08

流体机械 2020年12期

（山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛 266590）

0 引言

水力旋流器是固液分离常用的设备之一，具有结构简单，占地面积小，分离效率高等优点，被广泛应用于石油、化工等行业［1-3］。虽然旋流器有着许多优点，但是在工作过程中经常伴随着能量损失，特别在是在底流口和溢流口处尤为严重，出口处的高压力不仅消耗能量而且还增加了流体与器壁之间的摩擦，影响旋流器的使用寿命。为了降低旋流器能量损耗，提高流场的稳定性是首要关注的问题之一。前人采用双进料体结构来提高流场的稳定性，但是同时改变底流口和溢流口的大小对流场的影响还未提及。

流场的研究方法主要分为试验法和数值模拟法［4-5］。目前采用的试验手段主要有激光多普勒测速仪（LDA），粒子图像测速仪（PIV），高速视频成像仪（HSV），这些测试技术可以有效的测出水力旋流器内部的流场分布特性，虽然对旋流器进行试验探究是非常有必要的，但是测试设备费用昂贵，而且只能在试验室条件下进行，容易受到试验场所的限制。随着计算机技术的发展，基于流体动力学（CFD）被广泛应用于水力旋流器内部流场的检测［6-8］。该方法被很多研究者用于新型旋流器内部流场和分离性能的探究并与试验数据进行对比，具有较高的准确性。针对旋流器能量损失问题，本文设计3种渐扩出口的旋流器，分别为底流口渐扩，溢流口和双出口渐扩。采用CFD软件分别从压力场，速度场，湍流场进行探究。深入分析底流口和溢流口的渐扩对内部流场的影响，为旋流器优化设计提供理论依据。

1 数学模型

由于旋流器内部为高速旋转的流体，湍流强度很大，雷诺应力模型（RSM）模型充分考虑了涡旋、张力、剪切应力的瞬时变化，能较好的测出流场内部各个方向的异性湍流［9-12］。多相流模型采用VOF模型，该模型能很好的对2种互不相容的物态进行数值检测，而且还能精确追踪两种物态之间的交界面，由于流场内部只有空气和水，因此采用VOF模型能很好地预测旋流器内部流场各因素随时间的变化。

1.1 RSM湍流模型

RSM模型湍流输运方程：

该输运方程不考虑颗粒的自转，主要考虑颗粒围绕轴中心的公转，其中DT,ij为湍流扩散，Pij为剪切应力，φij为压力应变，εij为耗散。

1.2 VOF多相流模型

VOF模型控制方程：

式中 αq—— 第i相流体的体积分数，当整个容积充满同一种相时，αq为1；当容积中充满两种相时，两相的体积分数之和为1。

2 几何建模和边界条件设置

2.1 几何建模和网格划分

采用SolidWorks软件对旋流器进行三维建模，结构示意如图1所示，Type A为常规旋流器，Type B为底流口渐扩形式，Type C为溢流口渐扩形式，Type D为双出口渐扩式。由于出口采用渐扩形式，因此流场内部的速度会减小，减少涡流的产生，流场更稳定。具体结构参数见表1。

图1 旋流器结构示意

表1 旋流器主要结构参数

网格划分是数值模拟最为重要的一步，网格的数量，类型和多少都影响模拟精度［13-14］。六面网格具有数量少，精度高的优点，因此本文采用ICEM对旋流器进行六面体网格划分，网格划分如图2所示。由于4种旋流器只有在出口处结构不一样，为了方便，列出Type A全部网格，后面3种结构只列出底流口和溢流口的部分网格。

图2 网格划分示意

2.2 边界条件设置

采用FLUENT 19.0软件对气液两相进行模拟，湍流模型采用RSM模型，多相流采用VOF模型，进料口采用速度入口，湍流强度为3.805%，水相速度设为5 m/s，黏度为常温（20 ℃）水的黏度，底流口和溢流口设为压力出口，湍流强度分别为3.690%和3.933%，底流口和溢流口空气回流系数设为1，保证空气至少从一个出口进入旋流器。壁面采用无滑移边界条件，压力速度耦合方式采用SIMPLE算法，压力离散格式为PRESTO，其它控制方程均采用三阶精度的QUICK格式，以达到快速收敛，时间不长设为1×10-4s，以进出口流量平衡为收敛依据。

3 模拟结果

3.1 模型验证

图3 仿真与试验结果对比

从图中可以看出，模拟值与试验值有良好的一致性，只有在最大值处有偏差，造成这种偏差的原因可能有以下2点：（1）Hsieh在试验过程中存在的误差造成的。（2）模拟中采用的RSM湍流模型在实际运用中造成的。总体来说模拟值得变化趋势与试验值高度一致，验证了数值模拟的准确性。

3.2 压力降

水力旋流器将压力能转化为动能并且伴随着能量损失，如果损失过大会直接导致运行成本增加，而且高压力可以使颗粒对旋流器内壁摩擦更为严重，尤其是底流口和溢流口处由于粒子的堆积一时间不能及时排出，使得颗粒与内壁之间产生剧烈摩擦并且会导致颗粒的破碎进而造成底流夹细，影响旋流器的分离精度。较大的压力还会产生更多的二次液，影响环境。因此在满足颗粒分离的基础上应该减少压力以节省运行成本。颗粒在分离过程中主要分为径向和轴向运动，在径向方向上，粗颗粒主要受到离心力的影响，细颗粒主要受压力梯度力影响，而压力梯度力的大小跟压力降成正比，因此合适的压力降是粒子沿径向稳定运动的前提，为了适当的降低压力，采用改变出口的大小来实现。

流体域内的压力降是半自由涡域压力降和强制涡域压力降的和，表达式为：

式中 ρ ——流体的密度；

Ukt——旋流器器壁处的切线速度

R ——旋流器壁面到旋流器中心的距离；

r ——流体质点位置距旋流器中心的距离；

Umt——最大切线速度。

压力降是指进出口之间的静压力压力差，不同出口结构下的压力降见表2，可以看出，双渐扩口压力降最小，有效降低了能量损耗。图4示出4种水力旋流器的压力降分布云图，双压力降从壁面沿中心逐渐增大，在空气柱边缘达到最大，Type A型旋流器的高压力降区域范围最大，从溢流口底端延伸到底流口上端，Type D型高压力区域最小，图5示出Z=205 mm平面处的压力图线，Type D型旋流器压力最低，Type B型高于Type C型，说明改变溢流口比改变底流口大小更有效地减少压力，还可以发现在空气柱内部存在着压力降，空气柱是流体在旋流器内高速旋转所产生的一种独特现象，空气柱内部不参与颗粒的分离并且会便随着能量的损耗，因此对空气柱内部压降的分析是很有必要的，图6示出空气柱内部气体沿轴向方向的压力降曲线，可以看出底流口和溢流口处的压力降不同，这会使得气体在空气柱内部可以流动，还可以看出，Type B型和Type C型会使得空气柱内部的气体压降升高，这说明，增加一个出口虽然会降低流体的压降但是会使得空气柱内部气体压降升高，Type D型旋流器气体压降最低，所以，增加2个出口的大小不仅可以降低流体的压降而且可以减弱空气柱内部气体的压降，是一种较好的减压方法。

表2 不同结构旋流器总压力降

图4 压力降分布云图

图5 Z=205 mm平面压力分布

图6 空气柱沿轴向位置的压力降分布

图7示出了在Z=365 mm和Z=10 mm处的压力降云图，可以看出，Type D型在靠近2个出口区域压降最低，这使得流体运动较平缓，流场更稳定。

图7 Z=365 mm和Z=10 mm平面压力降分布云图

3.3 切向速度

切向速度是速度场中最为重要的速度之一，也是两相分离的主要动力，切向速度的大小直径影响流场内部的稳定性，切向速度过大会使旋流器内部高湍流区域增多，甚至会产生二次流，会使得流体反向旋转，流体之间碰撞严重，造成流场内部的紊乱。图8示出4种旋流器切向速度分布云图，可以看出，从器壁沿着径向逐渐增大，在空气住边缘附近达到最大，从而形成最大切向速度轨迹面，也是半自由涡和强制涡的分界面。还可以看出在空气柱内部切向速度为零，说明气体不会沿着径向运动，进一步证实了空气柱内部的气体只沿轴向运动的事实。

图8 旋流器切向速度分布云图

图9示出了Z=205 mm处切向速度分布，Type D型旋流器切向速度最小且对称性最好，说明内部流场更加稳定。Type B型和Type C型切向速度也小于Type A型，说明改变一个出口也可以适当减小切向速度，切向速度的变化形式与压力降变化趋势相同，这一点可以由理论公式得到验证。Navier-Stokes方程在径向上的投影为：

式中 ΔP ——径向压力降；

ρ ——流体密度；

Ut——切向速度。

从式（4）可以看出切向速度的平方与压降成正比。

图9 Z=205 mm平面切向速度分布

3.4 轴向速度

轴向速度大小分为由下往上的内旋流和由上往下的外旋，轴向速度的大小不仅决定着分流比还影响流体在旋流器内的停留时间，如果加入颗粒，则会影响颗粒的分离时间。图10示出了Z=205 mm平面处4种旋流器的轴向速度分布图线，可以看出，Type C型的轴向速度最小，Type D型的轴向速度介于Type A和Type B之间，因此可以通过增大出口大小来减小轴向速度，单独改变溢流口大小减小轴向速度最为明显。当轴向速度方向发生变化时，一定有速度为零的时刻，此时，颗粒将不再沿着轴向运动，将速度为零的点链接起来就会形成一个面即零速包络面（LZVV），零速包络面包络面内测为内旋流，外侧是外旋流。零速包络面的形状以及内凸或者外移都对旋流器流场有着重要的影响，如果加入颗粒，也会决定着粗、细颗粒分离区域的大小。

图10 Z=205 mm平面轴向速度分布

图11示出4种旋流器零速包络面，可以看出零速包络面在柱段扭曲较为严重而在锥段比较平滑呈现出直线形式，尤其在溢流管末端和旋流器顶端区域扭曲更加明显，说明在这两处位置存在着短路流和循环流，通过比较可以看出，Type D型旋流器在柱段区域轮廓钱较为平缓且变化较为缓慢，说明短路流和循环流较少，Type B和Type C型零速包络面变化幅度较大，这说明增加一个出口会增加短路流和循环流的概率。Type D型在锥段区域零速包络面外移，这增大了内旋流的区域。

图11 4种旋流器零速包络面外形

3.5 湍流黏度

湍流黏度 μt是指流体处于湍流状态下，由于流体的随机脉动造成的强烈涡团扩散，其本质就是涡流扩散。

式中 ρ ——流体密度；

Cu——经验系数；

K ——湍动能；

ξ——湍流耗散率。

湍流黏度也是导致流体相邻界面处速度不同的原因，湍流黏度越大，流体内部分子之间的摩擦力越大，相邻两界面处的速度差就会越大，极易形成摩擦力偶，这也是涡流产生的主要原因。在水力旋流器内部，由于流体的高速旋转形成高湍流区域，使得涡流现象频繁出现，最常见的就是二次流。二次流的方向与主运动方向相反，造成能量损失。

图12示出旋流器内部不同位置的湍流黏度空间分布，从图中可以看出，高湍流黏度区域主要分布在Z=205～250 mm，主要是因为在该区域存在着多种混合流动，比如短路流，循环流等，多种流动之间相互影响极易形成涡流。其中Type B型湍流黏度变大，而Type C型湍流黏度会减小，这说明改变溢流口比改变底流口更容易降低湍流黏度，Type D型湍流黏度非常小，而且不随轴向位置发生变化，在同等条件下，Type D更容易让流场稳定。